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[吴功宜]计算机网络学习笔记--第二章物理层

来源：一二三四网

教材：计算机网络（第四版）
作者：吴功宜吴英
出版社：清华大学

第二章物理层

2.1 物理层与物理层协议的基本概念

1. 设置物理层的目的是

屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术实现的。
（让上层不用考虑下层的实现细节）

物理层的基本服务功能：实现主机间比特序列的传输

2. 物理层协议的类型

点—点通信线路(广域网)
广播通信线路(局域网与城域网)

3. 物理层向数据链路层提供的服务

点—点通信线路的物理层比特流传输过程

点-点通信线路的物理层通信需要经过：建立物理连接、传输比特流、释放物理连接的过程

2.2 数据通信的基本概念

信源/源主机/发送端/发送主机：发送数据的一方
信宿/目的主机/接收端/接收主机：接受数据的一方
数据传输类型：模拟信号/数字信号
模拟信号：电平幅度连续变化的电信号（连续不断，波形）
数字信号：用两种不同的电平表示0、1比特序列电压跳变的脉冲信号。
调制/解调：发送端将数字信号转为模拟信号/接收端将模拟信号转为数字信号
- 信息（information）：文本或数字类信息，以及包含语音、图形、图像与视频等的多媒体信息
- 数据（data）：计算机存储与处理的二进制代码
- 信号（signal）：二进制代码0、1变换成用不同电平或频率变化的信号

2.2.1. 通信方式

1. 按照数据通信使用的信道数进行分类

串行通信：（一条通信信道，一般远程使用）
并行通信：（多条通信信道）

采用串行通信方式需在收发双方间建立一条通信信道；并行通信需建立并行的多条通信信道。

相同传输速率下，并行通信在单位时间内所传送的码元数是串行通信的n倍。造价高。

2. 按照信号的传送方向与时间关系分类

单工通信：信号只能向一个方向传输（方向不能改变）
半双工通信：信号可双向传送，但必须交替进行（同一时间只能向一个方向传输）
全双工通信：信号可以同时双向传送

2.2.2. 同步技术

同步：要求通信的收发双方在时间基准上保持一致

1. 位同步

要求接收端根据发送端发送的数据的时钟频率与比特流的起始时刻，校正自己的时钟频率与接收数据的起始时刻

内同步（从含时钟编码的发送信号中提取同步时钟）

从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。如：曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码
外同步（一路发数据信号，另外发送一路同步时钟信号）

在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接受端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率。如：非归零码

2. 字符同步

保证收发双方正确传输字符的过程。

ASCII字符由8位二进制数组成，发送端接收端均以8位为一个字符单元来发送接收的

同步传输

将字符以组为单位连续传送

每组之前加上一个或多个用于控制同步的同步字符SYN码，每个数据字符内不加附加位

接收端根据SYN码确定数据字符的起始与终止
异步传输

每个字符作为一个的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的

每个字符第一位前，加一位起始位（逻辑1），末位后加一或两位终止位（逻辑0）

更适用于高速数据传输

2.2.3. 传输介质

双绞线（能使通信线路之间的电磁干扰达到最小）
同轴电缆（抗干扰能力较强）
光纤（通信容量大，带宽在25000~30000GHz。低损耗、宽频带、高速率、低误码率与安全性）
无线与卫星通信信道

2.2.4. 数据编码分类

2.3 频带传输技术

频带传输：利用模拟信道传输数字信号的方法

为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号

2.3.1. 模拟信号编码方法

•在调制过程中，选择音频范围内的某一角频率ω的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为：
$u(t)= u_m·sin(ωt+φ_0)$

1. 振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK，调幅）

通过改变载波信号振幅 $u_m$ 表示数字信号0、1

优点：信号实现容易，技术简单

缺点：抗干扰能力较差

2. 移频键控（Frequency Shift Keying，FSK，调频）

通过改变载波信号的角频率 $ω$ 表示数字信号0、1

优点：实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一

3. 移相键控（Phase Shift Keying，PSK，调相）

通过改变载波信号的相位值表示数字信号0、1

优点：抗干扰能力强

缺点：实现技术较复杂

绝对调相

用相位的绝对值表示数字信号1、0
相对调相（差分曼彻斯特）

两比特信号交接处遇0，载波信号相位不变；遇1，载波信号相位偏移π （0不变，1移π）
多相调制

例如：四相调制：将待发送数字信号按两比特一组的方式组织，两位比特有4种组合：00、01、10、11，每组是一个双比元，用4个不同相位值表示。相位每改变一次，传送两个比特

2.3.2. $S=B·log_2k$

S：比特率/数据传输速率（单位为bps）

在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数

$S = 1 / T (b p s)$ ，T为发送每个比特所需要的时间
B：波特率/调制速率（单位为baud）

单位时间内能调制出多少个模拟信号，单位是1/s，称为波特

描述的是码元传输速率
k：多相调制的相数（多少个模拟信号/码元）
$log_2{k}$ ：表示一次调制状态的变化传输的二进制比特数

2.4 基带传输技术

2.4.1 基带传输的定义

基带信号：矩形脉冲信号
基带传输：在数字信道上直接传送基带信号

2.4.2数字数据编码

1. 非归零码（non return to zero,NRZ）

低电平表示0，高电平表示1
收发双方不能保持同步
另设信道同时传同步信号（外同步）

缺点：无法判断一位的开始与结束

信号中1与0的个数不相等时，存在直流分量（持续发送1或者0）

2. 曼彻斯特编码(Manchester)

又称“自含钟编码”信号

前T/2传送该比特的反码
后T/2传送该比特的原码
电平的跳变可以产生收发双方的同步信号（电平跳转处藏着时钟的宽度，内同步）

优点：利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号，发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号

缺点：效率较低

3. 差分曼彻斯特编码(Difference Manchester)

每比特中间跳变仅做同步使用
每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定
电平跳转规律：0变1不变

2.4.3 脉冲编码调制方法

脉冲编码调制（pulse code modulation，PCM）是模拟信号数字化的主要方法
PCM技术的典型应用是语音信号的数字化

调制器、曼彻斯特编码器和PCM编码器的比较

c→a、c→b
工作过程：采样、量化、编码

（1）采样

是隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出作为测试幅度的样本。
采样频率 $f$ :

$f \geq 2 B$ ，B为通信信道带宽（是信号频率范围的两倍）

$f=1/T≥2f_{max}$ ， $f = 1 / T$ ，f的单位为Hz（赫兹），T为采样周期， $f_{max}$ 为信道允许通过的信号最高频率

$S = 1 / T$ ,S单位为bps

（2）量化

是将样本幅度按量化级取值的过程
实质：小数 -> 整数的过程（样本幅度：连续值->离散的量级值）
用户自定义量化级

(3) 编码

是用相应位数的二进制代码表示量化后的样本的量级
如果有k个量化级，则二进制位数为log2k
实际：量级数二进制化
缺点：采用二进制编码位数较多，编码效率低
例子：

声音分为128( $2^7$ )个量化级，每个量化级采用7位二进制编码表示(加多一位校验位)

一个标准电话话路频率范围为 $300$ ~ $3400 H z$ ，即 $f_{max}=3400Hz$

根据采样定理 $f≥2f_{max}=6800Hz$ ，令采样速率 $f = 8000 样本 / s$

加了校验位的数据传输速率为 $8 * 8000 = 64 (k b p s)$

2.4.5 奈奎斯特准则与香农定理

从定量角度描述带宽与速率之间的联系
$R_{max}$ （单位： $b p s$ ）：二进制数据信号的最大数据传输速率
$B$ （单位： $H z$ ）：理想信道带宽
$S / N$ ：信噪比。信号功率S与噪声功率N。
$d b$ ：分贝。 $S / N (d b) = 10 l g (S / N)$

奈奎斯特准则

奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声的理想信道的最大传输速率与信道带宽的关系
$R_{max}=2·B（bps）$
如：信道带宽 $B = 3000 H z$ ，则最大传输速率为 $6000 b p s$

香农定理

香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系
$Rmax=B·log_2（1+S/N）$

2.5 多路复用技术

时分多路复用（TDM）:以信道传输时间为对象
频分多路复用（FDM）：以信道频率为对象
波分多路复用（WDM）
码分多址（CDMA）正交频分复用（OFDM）

2.5.2 时分多路复用

以信道传输时间为对象
将信道用于传输的时间划分为若干个时间片
每位用户分得一个时间片
用户在其占有的时间片内使用信道的全部带宽

1. 同步时分多路复用

将通信线路的传输时间分成n个时间片，每个时间片固定地分配给一个信道，每个信道供一个用户使用（时间片固定不变）

优点：方法简单，易于实现

缺点：可能出现很多的空闲时间片，造成信道资源浪费，利用率低

2. 统计时分多路复用

也称为异步时分多路复用（asynchronous TDM,ATDM）

允许每个周期内的各个时间片只分配给那些需要发送数据的信道（动态）

优点：提高了通信线路的利用率

2.5.3 频分多路复用

以信道频率为对象
在一条通信线路设计多路通信信道
每路信道的信号以不同的载波频率进行调制
各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时地传输多路信号

2.5.4 波分多路复用

是在一根光纤上复用多路光载波信号，是光波段的频分多路复用

2.5.5 码分多址（CDMA）正交频分复用（OFDM）

码分多址：通过为每一个用户分配一种码型，使多个用户同时使用一个信道而不互相干扰

正交频分复用：一种特殊的多载波传输技术

2.7 接入技术

各种终端与骨干数据网能接得上的工程技术

2.7.2 ADSL接入技术

同数据用户线技术方案，统称为xDSL

非对称数字用户线（asymmetric DSL,ADSL）
高速数据用户线（high speed DSL,HDSL）
甚高速数据用户线（very high speed DSL，VDSL）

ADSL技术特点

ADSL在电话线上同时提供电话与Internet接入服务
ADSL提供的非对称带宽特征（频分复用）
ADSL结构（略）

2.7.3 HFC接入技术

本质是用光纤取代有线电视网中的干线同轴电缆
光纤接到居民小区的光纤节点后，小区内部接入用户家庭仍使用同轴电缆
在光纤传输线路上采用波分复用的方法

2.7.4 光纤接入技术

光纤到路边（fiber to the curb，FTTC）
光纤到小区（fiber to the zone，FTTZ）
光纤到大楼（fiber to the building，FTTB）
光纤到办公室（fiber to the office，FTTO）
光纤到户（fiber to the home，FTTH）

2.7.5 移动通信接入技术

1. 空中接口与3G/4G标准

空中接口：无线通信中手机与基站通信的接口
上行信道：手机向基站发送信号的信道
下行信道：基站向手机发送信号的信道

2. CDMA的基本工作原理

码分多址是手机移动通信中最基本的信道复用方法

设计思想：给每个用户手机（站）分配一种经过特殊挑选的不同码型，使得不同站可以在同一时刻，使用同一个信道而不互相干扰

工作原理（P99 9）

将站发送的每个比特时间再划分为m个短的时间片（码片），一般为或128

此处假设m=8
给每个站分配一个唯一的m位码片序列

如，给A站分配的码片序列为S=00011011，当A站发送二进制1时，实际发送的是S的原码=00011011；发送0时，实际发送的是S的反码11100100.习惯上码片中0写为-1，1写为+1，故S记为（-1-1-1+1+1-1+1+1）
给每个站分配的码片序列是唯一的，同时不同站的码片序列是正交的，即它们的向量内积=0
两点保证：所有的站发送的码片序列都是同步的；如果B站接收了A站的码片序列，那么B站应该知道A站分配的码片序列。
如果A站向B站发送了二进制1，那么B站用A站的码片序列计算的内积应为1

如果发送了0，那么计算的内积应为-1

使得不同站可以在同一时刻，使用同一个信道而不互相干扰